차동 기어

3. 원리 및 구조

입력 토크는 링 기어(보라색)에 가해지며, 이로 인해 캐리어(보라색)가 같은 속도로 회전한다. 두 바퀴의 저항이 동일할 때, 유성 기어(녹색)는 자체 축에서 회전하지 않는다(기어와 핀이 캐리어에 부착되어 있기 때문에 공전하지만). 이로 인해 선 기어(빨간색 및 노란색)가 동일한 속도로 회전하며, 결과적으로 자동차 바퀴도 동일한 속도로 회전한다.]]

차동 기어는 기본적으로 엔진에서 전달되는 동력을 좌우 바퀴에 분배하면서, 코너링 시 발생하는 좌우 바퀴의 회전 속도 차이를 흡수한다.

자동차가 커브를 돌 때 안쪽과 바깥쪽 바퀴에 속도 차이(회전수 차이)가 생기는데, 이를 흡수하면서 동력원에서 동일한 토크를 분배하여 전달할 수 있다.^[15] 즉, 하나의 엔진 출력을 두 개의 다른 회전 속도로 분배하여 전달할 수 있다.^[15]

차동 기어는 먼저 바깥쪽의 링 기어에 동력이 전달된다.^[15] 링 기어에는 좌우의 차축으로 연결되는 사이드 기어와 그 양자를 연결하는 피니언 기어(소형 톱니바퀴)를 수납한 틀이 직결되어 있으며, 그것과 함께 회전한다.^[15] 링 기어를 고정한 상태에서 사이드 기어의 한쪽을 회전시키면 피니언 기어를 통해 다른 쪽은 반대 방향으로 회전한다.

한편, 바퀴의 한쪽을 고정하고 링 기어를 돌린 경우, 다른 쪽 바퀴가 2배의 속도로 회전한다. 실제 바퀴의 회전은 이 중간에서도 무단계로 변동하며, 양륜의 회전수의 평균값이 링 기어의 회전수와 같아진다. 결과적으로 차량은, 직선이든 곡선이든 바퀴가 미끄러지는 일 없이 부드럽게 주행할 수 있다. 이때의 링 기어의 회전으로부터 얻어지는 속도는 차량의 좌우 중심선의 값이 된다.

3. 1. 작동 원리

3. 2. 종류

4. 차동 제한 장치 (LSD)

일반("개방형") 차동 기어는 대부분의 동력을 접지력이 낮은(그립) 바퀴로 보낼 수 있다는 바람직하지 않은 부작용이 있다.^[10][9] 한쪽 바퀴의 접지력이 감소한 상황(예: 코너링 힘 또는 한쪽 바퀴 아래의 접지력이 낮은 노면)에서는 개방형 차동 기어가 접지력이 낮은 타이어에서 휠 스핀을 유발할 수 있으며, 접지력이 더 높은 타이어는 차량을 앞으로 추진하기 위한 동력을 거의 받지 못한다.^[11]

이러한 상황을 피하기 위해 다양한 디자인의 '''차동 제한 장치'''가 각 바퀴로 보내지는 동력의 차이를 제한하는 데 사용된다.

4. 1. 종류 및 특징

• '''디퍼렌셜 록''' (Differential Lock, DL, 차동 고정 장치): 차동 기어의 작동을 완전히 멈추게 하여, 양쪽 바퀴를 하나의 축처럼 연결한다. 진흙길, 빙판길 등 노면과의 마찰 계수가 극도로 낮은 험로를 주행하거나, 스턱 또는 탈륜 상태에서 벗어날 때 주파성을 높일 수 있다. 드래그 레이스와 같이 극단적으로 구동축에 트랙션이 커서 슬립이 발생하는 상황에서 한쪽 바퀴가 미끄러져 구동력을 손실하는 것을 방지하고, 발진 가속 능력을 향상시킨다. 4WD 차량의 경우, 차축 뿐만 아니라 센터 디퍼렌셜을 고정하여 험로 탈출 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 '센터 디퍼렌셜 록' 기능도 있다.
• '''셀렉터블 디퍼렌셜 록''': 평상시에는 일반적인 차동 기어처럼 작동하지만, 운전자가 스위치나 레버를 조작하여 강제로 고정 상태로 만들 수 있다.
• * '''오토 디퍼렌셜 록''': 평상시에는 디퍼렌셜 록 상태이지만, 동력원과 좌우 바퀴 간의 회전 차이나 토크 차이 등 여러 조건이 일치하면 자동적으로 디퍼렌셜 록이 해제된다.
• * '''스풀 디퍼렌셜''': 일반적인 차동 기어를 용접 등의 방법으로 완전히 고정시킨 것이다.

• '''차동 제한 장치''' (Limited Slip Differential, LSD): 상황에 따라 차동을 제한하여, 차동 기어의 단점을 보완한다. 험로나 미끄러운 노면에서 한쪽 바퀴가 헛돌 경우, 자동으로 차동을 제한하여 다른 쪽 바퀴에 구동력을 전달한다. 차동 제한 정도가 디퍼렌셜 록처럼 완전 고정이 아니므로, 극단적인 조종성 변화가 발생하지 않는다.
• * '''토크 감응형 LSD''': 입력 토크에 따라 차동을 제한한다.
• ** 기계식(다판 클러치식): 내장된 다판 클러치를 이용하며, 큰 차동 제한력을 발휘하지만, 정기적인 점검이 필요하다.
• ** 유성 기어(플래닛 기어)식: 여러 개의 기어를 조합하여 기어 잇면 저항 또는 데프 케이스와의 마찰력을 이용한다. 콰이프 LSD, 토르센 LSD, 헬리컬 LSD, 볼텍 LSD, 슈어트랙 LSD, 슈퍼 LSD 등이 있다.
• * '''회전 감응형 LSD''': 좌우 바퀴의 회전 차이에 따라 차동을 제한한다. 점성 커플링 LSD는 점성 커플링을 사용하여 실리콘 오일의 전단 저항을 이용한다. 반응이 비교적 느리고 제한 효과도 약하지만, 다루기 쉬워 헬리컬 방식과 함께 자동차 제조사의 순정품으로 제공되는 경우가 많다. 오리피스 LSD는 캠으로 구동되는 오일 펌프를 데프에 내장하고, 봉입된 실리콘 오일의 흐름이 오리피스를 통과할 때의 저항력을 이용한다.
• * '''액티브 제어식 LSD''': 전자 제어식으로, 컴퓨터가 각종 센서로부터의 정보를 바탕으로 동적으로 차동 제한 효과를 제어한다. 유압으로 마찰판의 압력을 조절하거나, 전자 클러치를 이용하는 방식이 있다. 닛산 스카이라인 GT-R의 액티브 LSD, 미쓰비시 란에보의 ACD, 스바루 임프레자의 DCCD, 페라리 · F430 등에 탑재되어 있다.
• * '''브레이크 LSD''': 브레이크를 사용하여 차동 제한 효과를 흉내 내는 방식으로, 트랙션 컨트롤 시스템의 파생형이다. 시스템이 바퀴의 헛도는 현상을 감지하면, 헛도는 바퀴에만 브레이크를 걸어 차동 제한 장치와 유사한 효과를 낸다.

5. 요 컨트롤 디프 (Yaw Control Differential)

데프 내에 변속기를 내장하여 변속기를 통해 증속 또는 감속을 만들어내고, 좌우의 출력축에 전자 제어 클러치로 전달함으로써, 액티브하게 회전 차이를 발생시키는 동시에 좌우 바퀴의 토크 변화를 통해 토크 벡터링을 수행한다. 또한 혼다의 SH-AWD는 후륜 데프의 입력 측에도 변속기에 의한 증속 기능을 가지고 있으며, 좌우 바퀴와 함께 3세트의 변속기를 가지고 있다(AYC, ATTS는 2세트).

시판 차량으로는 미쓰비시 란서 에볼루션의 AYC, 혼다 프렐류드의 ATTS, 혼다 레전드의 SH-AWD 등이 있다.

6. 기타 용도

차동 기어는 자동차 외에도 다른 용도로 사용된다.

• 아날로그 신호 산술 연산: 차동 기어의 세 샤프트 중 두 개는 두 숫자를 나타내는 각도로 회전하고, 세 번째 샤프트의 회전 각도는 두 입력 숫자의 합 또는 차이를 나타낸다.
• * 초기 사용 사례: 안티키테라 기계 장치(기원전 80년경) - 차동 기어를 사용하여 태양과 달 위치 포인터의 차이로부터 달을 나타내는 작은 구체를 제어, 달의 위상을 그래픽으로 보여주었다.^[1]
• * 방정식 시계 (1720년): 덧셈을 위해 차동 기어를 사용.^[1]
• * 아날로그 컴퓨터 (20세기): 총을 조준해야 하는 방향을 계산하는 등.^[12]
• * 미분 해석기 (1900년~1950년): 덧셈과 뺄셈 수행.
• 스피릿과 오퍼튜니티 (2004년 발사) 화성 탐사 로봇: 로커-보기 서스펜션에 차동 기어를 사용하여 로버 차체를 균형 있게 유지.^[13] 큐리오시티와 퍼서비어런스 로버는 기어 대신 차동 바를 사용.^[14]

• 미니사륜구동의 "원웨이 휠": 휠 내부에 피니언 기어를 넣어 코너링 시 바깥쪽 타이어를 공회전시켜 코너링 저항을 없앤다. 자전거에 사용되는 것과 같은 원리이다. 좌우/전후 차동 흡수에도 사용된다.
• 무선 조종 자동차의 "원웨이": 구동 시와 공회전 시에 데프 록과 오픈 데프를 전환, 코너링 시 회두성과 탈출 시 가속성을 양립시킨다.
• 랜드로버・시리즈 I 초기형 및 스바루・도밍고 초대 풀타임 사륜구동 사양의 앞바퀴

7. 차동 장치가 없는 사륜차

전기 자동차의 인 휠 모터(in-wheel motor) 방식은 바퀴 단위로 동력이 전달되므로 차동 기어가 필요하지 않다.

고카트나 레이싱 카트는 차체 프레임 강성을 조정하여 코너링 시 구동륜 한쪽이 지면에서 뜨도록 주행하는 기술을 사용하므로 차동 장치가 필요 없다. 차동 장치를 생략하는 이유는 차체 경량화, 구조 단순화, 고장률 감소, 비용 절감 등이다.

철도 차량은 원추형 차륜으로 좌우 회전 차이를 흡수하고, 스스로 전향하는 힘을 얻는다.^[18] 그러나 2축차·보기는 차축 중심축이 선로 곡선 중심축과 구조상 일치하지 않아 각종 조타 대차가 고안되고 있다.^[18]

8. 한국 자동차 산업과 차동 기어

참조

_[1] 논문 The Antikythera Mechanism Reconsidered http://fsoso.free.fr[...] 2007
_[2] 논문 Caves Books 1986
_[3] 서적 Dictionary of American Biography https://archive.org/[...] Charles Scribner's Sons, American Council of Learned Societies 1947
_[4] 웹사이트 History of the Automobile http://www.gmcanada.[...] General Motors Canada 2011-01-09
_[5] 서적 Aveling & Porter, Ltd. Rochester North Kent Books 1987
_[6] 웹사이트 David Shearer's Steam Car at Mannum in 1897 – Australia's First – with World-First Differential https://adelaideaz.c[...] 2023-02-27
_[7] 웹사이트 Inventor Of Automotive Technologies – Vernon Gleasman's Legacy https://www.theautoc[...] 2023-08-27
_[8] 웹사이트 What Is a Spur Gear Differential? http://www.sergeantc[...] 2023-03-27
_[9] 서적 Automotive Computer Controlled Systems https://books.google[...] Elsevier Science & Technology Books 2001
_[10] 서적 Automotive Science and Mathematics https://books.google[...] Butterworth-Heinemann 2008
_[11] 웹사이트 The Development of a Differential for the Improvement of Traction Control http://zhome.com/ZCM[...] 1988
_[12] AV media Basic Mechanisms in Fire Control Computers, Part 1, Shafts Gears Cams and Differentials, posted as 'U.S. Navy Vintage Fire Control Computers' https://www.youtube.[...] U.S. Navy 1953
_[13] 웹사이트 Rover Wheels https://mars.nasa.go[...] 2023-01-18
_[14] 웹사이트 Curiosity Mobility System, Labeled https://www.planetar[...] 2023-01-18
_[15] 문서 differential gear
_[16] 웹사이트 雪道の運転 快適なスノードライブの為に http://www.h6.dion.n[...]
_[17] 문서 프로페라シャフトを外す、もしくは両軸モーターの片側のギアを外して二輪駆動化するという手もあるが、その場合はミニ'''四駆'''として成立しない。
_[18] 논문 곡선을 원활하게 통과하기 위한 조타 기술 https://www.jstage.j[...] 2017-02-10